开挖卸荷条件下煤岩变形破坏与能量释放的数值分析

煤岩原始存在着大量不规则无序分布的节理/裂隙和软弱夹层等断续结构,这些断续结构的几何形态、尺寸、分布、接触以及填充物性质决定着煤岩的物理力学性能与变形破坏行为。现有的数学或力学方法尚不足以从理论上准确刻画断续结构及其对煤岩变形破坏的控制作用。本文采用高精度CT成像和三维重构方法,构建了体现不连续节理/裂隙的不规则几何形态、接触与切割状态以及网络结构特征的断续煤岩三维数值模型,引入单元生死算法定量分析和直观显示了不同开挖卸载模式下断续煤岩变形破坏的应力场、破坏区域及空间分布、能量耗散与能量释放特征,揭示了卸载模式、断续节理/裂隙对煤岩力学性质及破坏机制的影响,为认识和掌握开挖卸荷对断续煤岩变形破坏的控制作用提供了方法和途径。     

煤岩物理力学性质与冲击倾向性关系

冲击倾向性是煤岩介质的固有属性,是发生冲击矿压的必要条件,物理力学参数表征煤岩介质的性质,基于大量煤岩介质物理力学参数数据及冲击倾向性结果,分析了煤岩物理力学性质中吸水性、强度参数、变形参数与冲击倾向性之间的定量或定性关系.试验研究及理论分析结果表明,随着煤岩介质吸水性增强,其动态破坏时间越长,冲击能量指数越低,冲击倾...     

煤岩细观结构信息提取与三维构建

煤岩宏观断裂及破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的成核、扩展和贯通引起的,对煤岩微裂隙进行细观尺度的深入研究是揭示煤岩裂隙宏观演化规律有效手段。基于细观损伤力学建立了一套煤岩细观结构量化描述的实验方法,利用显微镜对王坡煤矿煤岩进行细观微裂隙观测,得到了煤岩细观初始损伤特征,探讨了初始损伤对煤岩微裂隙细观演化的影响。并基于数字图像处理技术对煤岩细观结构信息进行提取,以煤岩结构信息统计特征为基础,进行煤岩细观结构的三维构建,为进一步量化研究采动煤岩裂隙演化规律奠定了坚实的基础。     

坚硬顶板条件下煤岩体冲击失稳特征与信息研究

基于坚硬顶板条件下煤岩冲击倾向性的细观特征分析,对坚硬顶板条件下煤岩冲击失稳前后特征与信息进行研究。分析了不同冲击倾向性煤岩体表面细观形貌特征,探讨了煤岩冲击动力失稳发生前后煤岩体内细观结构特征及有机显微组分的变化,深入认识了煤岩冲击动力失稳机理及煤岩体冲击倾向性。     

双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

煤岩渗透性决定了瓦斯流动的难易程度,而煤岩的力学特性也在一定程度上影响着煤岩的渗透性。为深入探究不同应力—应变状态下煤岩的渗流特性变化,开展了煤岩渗流试验,并结合CT扫描对煤样孔裂隙结构进行三维重构,从煤岩孔裂隙受应力—应变影响而变化的角度分析煤岩渗透特性演化规律,同时应用Avizo软件对破碎后的煤样进行可视化气体流动及渗透率值的模拟。研究结果表明：煤岩渗透率随着轴向应力—应变的增加而呈现“V”形变化,并且渗透率的变化与煤岩内部孔隙变化具有明显的相关性;通过CT扫描得到的煤样渗透率值与试验所得的渗透率值基本一致。研究结果可为相似条件下煤岩渗透性及可视化研究提供参考。

     

深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式

受开采卸荷扰动影响，深部岩体互层及其组合结构系统的破裂失稳是诱发采场突水等灾害的主要原因之一。为研究深部开采围压卸荷对岩体组合结构破裂的影响，室内开展了原生煤岩组合体三轴加卸荷-渗流试验，获得了不同初始围压下原生煤岩组合体围压卸荷致裂的竖向、倾斜及环向裂隙分类特征，研究了其轴压卸荷起点、围压卸荷终点的强度特征及主导破裂模式的力学机制；结合CT扫描与三维重构技术，获取了原生煤岩组合体卸荷破裂的几何特征；建立了围压卸荷量与岩体卸荷致拉破裂、致剪破裂的关系，揭示了围压卸荷致裂模式与渗透率突变关系，验证并判定了不同初始围压下原生煤岩组合体的主导卸荷致裂模式。结果表明：在围压卸荷和轴压加载共同作用下，原生煤岩组合体卸荷破裂模式主要分为围压卸荷致拉破裂、致剪破裂及轴压协同卸荷致裂模式3类；随初始围压增加，原生煤岩组合体围压卸荷致拉破裂的围压卸荷终点临界值及致剪破裂的轴压卸荷起点临界值均线性增加；围压卸荷可致轴压协同卸荷突降并驱动煤岩分界面及层理等原生裂隙结构环向张拉破裂，且以沟通倾斜及竖向裂隙为主导；而围压卸荷致拉破裂与致剪破裂模式均可致原生煤岩组合体渗透率突变增高，突变点致裂模式与其围压卸荷终点...     

煤岩体裂隙结构形态和力学属性的可视化数据库构筑初探

煤岩体中裂隙赋存状态、结构形态和力学属性等对其材料强度、变形能力和抗冲击性能等具有显著的影响，确定裂隙的空间几何结构、空间展布形态和力学属性对于研究煤岩力学性能具有重要的理论意义和工程应用价值，构筑煤岩体裂隙结构形态和力学属性可视化数据库可为研究裂隙形态多样性识别提供一个新的思路和方向。从数据库概念和建立数据库基本方法出发，设计了裂隙可视化数据库构筑的基本思路，建立了煤岩实体和裂隙实体间一对多的映射关系，构建了裂隙多源数据智能获取、裂隙属性智能分类与存储、形态可视化分析与实现3个方面的数据库基本框架，实现了可视化数据库的裂隙结构形态智能识别、基于结构形态和断裂力学的分类属性多角度判别、几何展布形态可视化、基于条形码与二维码扫描的裂隙属性智能传输等特色功能。以北京昊华能源股份有限公司大安山煤矿为工程背景，获取了逆冲断层和倒转褶皱等复杂地质构造中的煤岩样品。运用CT扫描、图像分析处理与三维重构等技术手段构建了若干裂隙的三维数字化模型。结合不同属性分类标准，基于智能识别算法分类了裂隙的形态特征、分布位置和几何特征等数据，初步建立了煤岩体裂隙可视化数据库的基本模块，开展了裂隙检索与数据入库，展...     

基于裂隙几何特征的岩体渗透率预测

为了研究基于地表裂隙特征的三维岩体等效渗透率预测方法,建立了不同裂隙特征下三维裂隙岩体几何模型,分析了裂隙几何特征、基质渗透率与二维切面等效渗透率与岩体等效渗透率的内在联系,发现二维切面等效渗透率整体小于三维岩体等效渗透率,且三维岩体等效渗透率与裂隙长度、密度、基质渗透率呈线性关系。量化了裂隙几何参数及基质渗透系数对三维模型等效渗透率的影响,并通过回归分析建立了基于三维岩体裂隙长度、密度、基质渗透率与二维切面等效渗透率预测三维等效渗透率表达式,预测效果较好。     

煤岩层理结构对单轴力学特性影响研究

随着矿井开采深度的增加,热害问题越来越严重。为研究高温对深部煤岩力学特性的影响,对深部煤层含层理、裂隙、无明显裂纹煤样进行了不同的温度处理,分析了不同煤样经受不同温度下宏观裂纹破坏情况;通过对裂隙不同煤样、层理不同煤样分别进行相同高温处理,探究了高温对深部含裂隙和层理煤样力学特性的影响;挑选层理、结构极其相似煤样进行常温和高温处理,进行单轴压缩试验,借助三维扫描仪对单轴试验过程不同位移下煤样破坏情况进行了扫描,记录下煤样破坏情况,通过对常温、高温下力学测试数据,结合常温、高温煤样裂纹扩展演化规律,探究了高温对深部煤岩力学特性的影响。     

裂隙分布对煤岩体冲击倾向性影响机制试验研究

对含预制裂隙试件开展单轴压缩试验,采用声发射和数字散斑监测技术探究了不同裂隙分布试件的力学响应特征,分析了不同裂隙对试件变形破坏、冲击倾向性及能量积聚与释放的影响规律。试验结果表明：同种类型预制裂隙试件的破坏形式,随倾角的增加,破坏类型呈拉破坏—拉剪破坏—拉破坏—劈裂拉破坏的变化趋势,破坏剧烈程度呈现强—弱—强的变化趋势。从不同裂隙类型来看,平行双裂隙的试件产生的次生裂隙与预制裂隙形成块体结构,削弱了试件整体的完整性。单轴抗压强度、冲击能量指数等4个指标反映冲击倾向性变化规律为：随倾角增加,呈现先减小、后升高的变化趋势,其中β=30°时冲击倾向性最小。倾角相同情况下,不同类型的裂隙试件其冲击倾向性大小关系为：共面双裂隙试件>单裂隙试件>平行双裂隙试件。应力峰前阶段累计声发射能量和总累计能量之比W_E、峰前累计声发射事件与累计总事件之比W_N和声发射事件特征参数b值3个指标的变化规律与冲击倾向性的变化规律相一致。声发射信号能量-频次特征揭示了冲击倾向性变化规律的内在原因。研究成果对揭示裂隙煤岩体冲击地压发生机制具有重要理论意义。     

含裂隙煤体能量耗散特征与冲击倾向性研究

冲击倾向性是煤岩体能否发生冲击地压的自然属性，裂隙的分布对其有重要影响。为研究煤体原始裂隙对能量耗散特征和冲击倾向性的影响机制，采用PFC2D数值模拟方法，对不同裂隙类型的煤体试件进行了单轴压缩测试。研究表明：(1)随着裂隙倾角的增大，宏观力学参数抗压强度和弹性模量均表现为先减小后增大的趋势；当裂隙倾角为30°时，两者都取得最小值。不同裂隙类型宏观力学参数大小关系为：非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。(2)弹性应变能和总应变能的变化规律与宏观力学参数相似。平行非共面的裂隙试件在裂隙之间形成了能量耗散结构，共面断续双裂隙试件裂隙之间形成了能量集中区，揭示了不同裂隙类型弹性能量大小关系的内在原因。(3)从煤岩体储存弹性能的能力和破坏后释放弹性能的能力2个角度对冲击倾向性进行分析，提出了弹性能储存率和弹性能释放率2个冲击倾向性指标。(4)随着裂隙倾角的增大，弹性能储存率和弹性能释放率均表现为先减小后增大的趋势；当裂隙倾角为30°时，两冲击倾向性指标都取得最小值。不同裂隙类型冲击倾向性大小关系为：非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。...     

正应力作用下北山花岗岩单裂隙几何特征对辐射流渗流行为的影响研究

岩体裂隙中的地下水渗流可能会导致采掘过程中围岩突水或支护失效。为研究北山花岗岩裂隙渗流行为,采用MTS815岩石力学试验系统开展了单裂隙辐射流渗流试验研究,获得了不同正应力条件下裂隙流量的变化规律,分析了裂隙几何特征对其渗流特性的影响。随后采用变异函数对裂隙空隙三维分布特征进行量化表征,建立了考虑裂隙空隙三维分布特征和接触率为影响因素的辐射流等效水力隙宽计算模型(CA模型)。研究结果表明:裂隙空隙三维分布特征可由三维分布系数(CA)表征,CA值越大,裂隙空隙的分布越不均匀;CA模型可定量表征裂隙等效水力隙宽与裂隙力学隙宽、接触率和空隙三维分布系数之间的函数关系。试验数据与模型计算结果具有较好的一致性,验证了CA模型的合理有效性。     

冲击荷载作用下煤岩力学特性研究及能量演化特征

为了探究冲击倾向性煤岩的动态力学特性和破碎特征,以强冲击倾向性煤岩为研究对象,进行了中高应变率条件下的单轴冲击试验。结果表明：在冲击荷载作用下,煤岩的破裂与变形可分为线弹性阶段、弹塑性阶段、应变强化阶段和卸载破坏阶段4个阶段;动态应力、应变均表现出明显的应变率效应;煤岩动态应力增长因子与应变率呈线性正相关;峰值应力与能量密度拟合呈现对数关系,能量密度与应变率拟合呈现指数关系,吸收阻抗比能与应变率具有良好的二次幂指函数关系,吸收阻抗比能和能量密度表现出较强的应变率相关性;破坏模式逐渐由轴向劈裂破坏向压碎破坏过渡。研究结果对于解决当前深部矿山采掘等工程实际问题具有一定的理论意义和实用价值。     

煤岩冲击下支架掩护梁的力学响应分析

为了研究掩护梁在煤岩冲击下的力学响应,使用有限元分析软件建立煤岩冲击掩护梁的动力学模型进行碰撞仿真,研究在不同形状、不同速度煤岩颗粒冲击下掩护梁碰撞力学特性。其结果可为通过振动响应原理来实现放顶煤的煤岩界面识别提供参考。     

煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究

研究煤岩组合体在不同应力条件下的变形损伤规律,对揭示矿山动力灾害机制具有重要 意义。 在单轴加载条件下,分析原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体应力-应变规律,通 过采集加载过程中试样声发射行为信息,初步探究原生煤岩组合体损伤破坏规律。 对比分析发 现:① 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响;② 单轴加载条 件下4种试样抗压强度依次为:岩样>人工煤岩组合体试样>原生煤岩组合体试样>煤样;③ 组 合体受载变形和峰值强度受介质间界面条件、弹性模量及尺寸效应等多重因素影响;④ 原生煤 岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且早期损伤主要发生在原生煤 岩组合体界面或附近煤岩体。     

动静组合加载下冲击倾向性煤声发射特性试验研究北大核心

采用DTAW-8000型岩石高压动力学试验系统及声发射技术,通过施加不同动载扰动频率的单轴压缩试验,研究了冲击倾向性煤在动静组合加载下的破裂特征与声发射特性参数的关系、分析了冲击倾向性煤受压损伤全过程并建立了损伤演化模型。研究表明:动载扰动频率增强,冲击倾向性煤岩主破裂角呈现先减小后增大的变化趋势,且应力、应变均呈降幅现象;冲击倾向性煤岩内部裂缝的发育、扩展过程与声发射信号紧密相关,煤岩受压全过程的声发射振铃累计数变化趋势可大致分为稳定阶段、突增阶段和缓慢增长直至破坏阶段;煤岩损伤演化模型趋势与试验数据趋势一致;动载扰动频率是煤岩损伤的缓增-急速增长阶段影响煤岩破裂时程的主要因素。     

裂隙几何特征对岩体力学特性的模拟试验研究北大核心

为探究裂隙结构面对岩体力学特性的影响,对含预制裂隙岩样进行压缩模拟试验,基于SEM、NMR、Vic-3D技术,结合声学及宏细观结构特征对岩体进行多尺度研究,重点分析裂隙几何特征对岩体力学性状与行为的演变规律。结果表明:岩样强度随裂隙长度、贯穿度及数量的增加呈现下降趋势,随裂隙倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,30 mm裂隙岩样强度最低,90°裂隙岩样强度最为接近完整岩样;完整岩样、0°、90°裂隙岩样发生张拉破坏,不同裂隙贯穿度岩样发生拉剪复合型破坏,不同裂隙长度、数量、30°、45°及60°裂隙岩样均表现为剪切破坏。岩样受荷后微小孔隙比重降低,大中孔隙比重增大,表明预制裂隙造成的初始损伤和荷载作用均能改变岩样内部孔隙结构,进而影响其宏观力学特性。     

基于损伤统计本构模型的煤层冲击倾向性研究

针对目前国内煤层冲击倾向性指标存在的问题,基于煤岩应变强度理论、煤岩微元强度服从Weibull随机统计分布的假设和连续介质损伤力学理论,采用单轴压缩下煤岩损伤统计本构模型,用最优化方法确定该模型的关键参数,同时分析了各参数的物理意义,进而给出了冲击能指数和弹性能指数的理论计算方法,并提出了最大损伤速率和反应动态破坏时间的动态损伤应变新指标。数值试验和现场试验结果表明：采用最优化方法确定该模型参数能更好地拟合煤岩应力-应变全过程曲线;修正后与新提出的冲击倾向性指标理论计算方法合理可行,物理意义明确,能很好地反映煤层的冲击倾向性,为深入研究煤层冲击倾向性的本质提供了一种新的思路。     

郑庄区块煤储层水力压裂裂缝扩展地质因素分析

为了研究煤储层水力压裂裂缝扩展规律,以沁水盆地郑庄区块15口煤层气井水力压裂裂缝的微地震监测数据为基础,通过分析压后裂缝方位、长度和高度等参数,从煤岩学特征、岩石力学特征、地应力条件及煤岩裂隙发育特征4个方面综合研究了压裂裂缝扩展的地质控制因素。结果表明:郑庄区块区压裂裂缝方位近NEE向,与区域水平最大主应力方向相近,垂直裂缝发育;演化程度较高的煤层更易形成长缝,且煤岩显微组分含量与压后缝长有一定相关性;裂缝长度随煤岩抗拉强度及弹性模量的增大而减小,煤岩与顶底板岩石力学性质的差异限制了裂缝纵向扩展;随埋深增加,煤储层闭合应力增大,但裂缝长度与煤层埋深负相关性较弱,原生裂隙在一定程度上阻碍了裂缝扩展。     

基于微焦点显微CT技术的不同煤体结构煤的孔裂隙定量表征

基于微焦点显微CT技术,采用三维CAD模型和立体模型实现了不同煤体结构煤孔裂隙的三维建模,定量表征了不同尺度下原生结构煤和构造煤的孔裂隙形态、大小和空间配置,评价了煤体的渗透性能。结果表明:原生结构煤孔裂隙空间发育方位和矿物充填程度决定渗透性的各向异性;相比原生结构煤,碎裂煤裂隙宽度、密度增大,孔隙度和比表面积升高,逾渗概率最高,微区内不同方向孔裂隙连成不同级别、不同组态的孔裂隙网络,从而提升了气体渗流能力;糜棱煤形成孤立分布的孔裂隙结构,空间分布非均质性高,逾渗概率最低。研究认为,与传统方法相比,虽受到空间分辨率(1μm)的精度制约,但微焦点显微CT技术具有无损探测构造煤内部三维孔裂隙结构特征的优势。